Mini USV: rotronic Roline UPS (300 VA/165 W)

Fällt der Strom aus, oder sind zu starke Schwankungen oder Störungen im Stromnetz, übernimmt die USV über eine Notstromversorgung (Akku) das 230 V AC Netz des oder der angeschlossenen Geräte. USV Anlagen gibt es von rund 150 Watt, bis zu rund 500 kW (z.B. von APC) oder sogar bis über 1000 kW (eigentlich jeweils kVA), jeweils über Akkus „befeuert“, und sind somit für die verschiedensten Aufgaben geeignet.

Der Verlust von Daten im High Tech-Bereich, oder in der Kommunikation aber auch im privaten Bereich kann enorme wirtschaftliche und u. U. auch ganz allgemein negative Folgen haben – und wenn man sich als Privatmensch einfach nur ärgert. Das muss alles heute nicht mehr sein.

Für ein kleines IT Gerät (ein AVM Router/Modem) wollte auch ich ab dem Jahr 2011 eine Sicherheit gegen Stromausfall haben, und suchte nach einer sehr kleinen, leichten und somit handlichen USV, die auch selber praktisch kaum Eigenstromverbrauch hat. So konnte ich im Notfall wenigstens telefonieren und im Web surfen. Kleine USV Geräte sind gar nicht so einfach zu finden…denn „klein und leicht“ will heute keiner mehr…

…die folgende USV gefiel mir aber gleich richtig gut. Es handelte sich um die handliche Mini USV von Roline vom Typ UPS (mit 300 VA bzw. 165 W).

Bild oben: Die USV, hier bereits z. T. geöffnet, Gehäuse liegt noch drauf.

Das Gerät ist klein und leicht, vorgesehen für sehr kleine Geräte (z.B. kleine Computer) oder z.B. für Telefonanlagen oder auch Router bzw. vergleichbare IT Geräte die wenig Strom benötigen, aber eben gegen Stromausfall abgesichert werden sollen. Folgend beschreibe ich die USV (USV = Unterbrechungsfreie Strom Versorgung, bzw. auch UPS = Uninterruptible Power Supply).

Bild oben: Die Technik der Mini USV zeigt sich.

Mit der vorhandenen Kaltstartfunktion kann der Ausgang mit Wechselstrom versorgt werden, ohne das die USV zuvor an ein Stromnetz angeschlossen werden muss. So kann man die USV jederzeit einschalten. Ebenfalls ist eine serielle Schnittstelle, sowie eine CD mit Software, um angeschlossene Geräte herunter fahren zu können, vorhanden. Dann muss ja was passieren, da ja sonst der Stromausfall nur heraus gezögert werden würde.

Preise: Stand 2014 für diese USV: 79,- Euro, wird jedoch kaum noch angeboten.

Die Technik / Topologie

Die wohl in Fernost (China?) produzierte USV hat einen günstigen Preis. Jeder möchte günstig einkaufen, aber leider vergisst man als Käufer, dass die Produktionskette oft aus Menschen besteht, die entsprechend schlecht bezahlt werden. Nun, das ist leider in einer Marktwirtschaft nicht zu ändern, aber es ist auf jeden Fall sehr schade.

Bild oben: Noch detailliertere Technik der Mini USV zeigt dieses Bild.

Das Gerät erzeugt ausschließlich mit HF Technik (ohne Eisentrafo) aus einem wirklich sehr kleinen 6 V Akku mit auch nur 5 Ah Kapazität – über einen DC-DC Wandler eine Spannung von rund 330 V DC… …dazu wird hier ein Gegentaktwandler verwendet, der aus einem galvanisch getrennten HF-Trafo besteht, welcher am Eingang eine Mittelanzapfung hat, welche an +6 V DC des Akku liegt. Die beiden äußeren Wicklungen sind identisch, haben je ca. 5 Windungen, und werden mit min. 25 kHz Taktfrequenz wechselweise an Masse gelegt. Und zwar mit einer SNT (Schaltnetzteil) Ansteuerschaltung, mittels PWM, welche oben genannte Gegentaktstufe ansteuert. Am Ausgang des HF-Trafos entsteht der höheren Windungszahl entsprechend die höhere Spannung mit einer Frequenz von min. 25 kHz. Bedingt durch die hohe Schaltfrequenz des HF-Ferrit-Trafos, kann dieser deutlich kleiner und leichter ausfallen, als bekannte 50 Hz Eisen-Netztrafos.

Aus rund 330V DC wird 230 V AC

Die 4 folgenden Transistoren können auch bipolare Typen sein. Es handelt sich dabei um eine H-Brücke, genau genommen um zwei Halbbrücken, die dann auch als Vierquadrantensteller bezeichnet wird. So eine Endstufe zerhackt diese 330 V DC in eine beliebige Wechselspannung. Damit ist die DC ZK Spannung von 330 V immer konstant ist, egal wie diese gerade belastet wird, und ob gerade ein ganz voller oder ein fast leerer Akku am Werk ist, sollte diese geregelt sein. Auf so eine Regelung wird jedoch in vielen Fällen – so auch hier – verzichtet. Die Regelung wird dann (alleine oder zusätzlich) in der zweiten Stufe ausgeführt, dort wo aus 330 V DC die 230 V AC generiert wird…

Bild oben: Die Controllerseite der Mini USV Technik.

Hintergrundinfos zur erzeugten 230V Ausgangsspannung

Diese USV liefern keinen Sinus, was aber nicht weiter schlimm ist. Dazu ist nur eine andere Ansteuerschaltung nötig, und am Ausgang ein paar zusätzliche Filter. Man verwendet hier aber eine sog. „trapezförmige“ und damit schon gar nicht so schlechte Wechselspannung als Ausgangsspannung.

Bild oben: Kaum zu glauben, aber wahr: Der sehr kleine Akku der Mini USV (nur ein Akku a 6 V bei 5Ah). Kleiner geht es wirklich nicht.

Übrigens, viele einfache Wechselrichter, z.B. von 12V DC auf 230 V AC, egal ob 150 Watt, oder 1500 Watt und mehr, liefern ebenfalls eine trapezförmige Ausgangsspannung. Sinuswechselrichter sind in jedem Fall deutlich teurer, auch heute noch. Wenn so eine trapezförmige Ausgangsspannung allerdings irgend einem Gerät schaden würde, wäre davon schon längt was bekannt geworden.

Im folgenden noch ein selbst entwickeltes Schaltbild, welches in wesentlichen Teilen mit dieser gekauften USV überein stimmen sollte.

Bild oben: Im oberen Drittel ist das Netzteil mit 230 V AC Eingang und 230 V AC Ausgang, sowie auch die Überwachung, ob die 230 V AC ausgefallen ist. In der Mitte ist der DC-DC Wandler, hier jedoch in einer 12 V Version, auf ca. 330 V DC. Unten dann der Zerhacker, welcher aus 330 V DC die 230 V AC erzeugt.

Hintergrundwissen SNT, Schaltnetzteil

Höhere Frequenzen (25kHz und mehr) werden üblicherweise nicht als Sinusspannung übertragen, wie bei 50 Hz Netztrafos, sondern als PWM modulierte Wechselspannung. So wie auch bei oben beschriebener Technik der USV, welches aus 6 V DC zunächst eine 330 DC Spannung erzeugt, meist bei Frequenzen um 25 kHz oder auch deutlich mehr. Nachgeschaltet ist dann die zweite Stufe, welche aus 330 DC dann die 230 V AC generiert.

Hintergrundwissen, 230V AC Spannung

Es ist ein Zufallsprodukt, denn letztlich kommt der Strom (fast immer) aus einem echten (mechanischen) Stromgenerator, welcher eben physikalisch bedingt durch die Drehbewegung des Rotors immer einen solchen Kurvenverlauf erzeugt. Rein techn. notwendig ist so ein sinusförmiger Kurvenverlauf jedoch bei praktisch keinem Gerät. Auch „besonders empfindliche“ Geräte, wie z.B. Computer vertragen in aller Regel problemlos (fast) jede beliebige Kurvenform, also auch eine trapezförmige Wechselspannung. Nur sehr wenige sehr große leistungsstarke Schaltnetzteile, welche eine besonders hohe Leistungsabnahme aus dem 230 V AC Netz haben, oder spezielle Lichtsteuergeräte (Dimmer) arbeiten in aller Regel nur an einer Sinusspannung in der Weise, wie man es erwartet.

Welche Topologien gibt es bei USVs?

Die Topologie bezeichnet zum einen die Art des technischen Aufbaus. Hier ist gemeint, ob ein Eisentrafo die Spannung hochsetzt, oder ob dies mit HF Technik geschieht. Denn ein Eisentrafo kann nur niedrige Frequenzen (50 Hz) übertragen. Ein Ferrittrafo kann jedoch sehr hohe Frequenzen (locker 1000 mal so hoch wie 50 Hz) übertragen, und kann daher klein und leicht ausfallen. Dies macht auch einen Unterschied in der Größe und dem Gewicht des Gerätes aus.

Weiter wird bei USV noch nach der generellen funktionsweise unterschieden. Ganz einfache billige Geräte sind offline USVs. Der Kurvenverlauf der 230 V AC ist üblicherweise nicht Sinusform ausgebildet. Fast immer schaltet ein Relais im Notfall um von Netzspannung auf Notspannung. Dabei gibt es eine kleine Unterbrechung, die jedoch einen PC o.ä. Gerät nicht stört.

Etwas komplizierter sind sog. Line-interaktiv USVs. Diese regeln die AC Ausgangsspannung immer aus, auch wenn die Netzspannung erheblich schwankt. Auch hier wird ein Relais eine kurze Unterbrechnung beim umschalten verursachen.

Nochmals erheblich komplizierter sind die Online Dauerwandler USVs. Diese erzeugen grundsätzlich zu jeder Zeit eine absolut saubere Sinusspannung am Ausgang. Hier gibt es auch keine Unterbrechung, da die Netzwechselspannung gleichgerichtet wird, und daraus mit Elektronik erneut eine 230 V AC Sinusspannung generiert wird. Egal ob Netzbetrieb, Netzausfall, oder Notbetrieb, hier ist ständig die gleiche Elektronik am Ausgang, ein sog. Dauerwandler. Diese Online Dauerwandler können mit einem herkömmlichen Netztrafo arbeiten, oder auch mit einem HF System, einem Ferrittrafo.

Hier noch eine Info aus Wikipedia zum Thema;

https://de.wikipedia.org/wiki/Unterbrechungsfreie_Stromversorgung

So Leute, wahrscheinlich fragt ihr euch schon, wann dieser Artikel zu Ende ist. Tja, das ist nun der Fall 🙂 Ich hoffe, ihr seid nicht traurig…

Grüße, Euer Jürgen Blumenkamp